Substrat IC - Name

Revolusi Radar PCB Dalam 15 tahun terakhir, ARRC telah berpartisipasi dalam projek Multifunctional Phase Array Radar (MPAR) Amerika Syarikat, diikuti oleh projek Pengawalan Nasional Spektrum Efisiensi Radar (SENSER), yang asalnya dikembangkan oleh Federal Aviation Administration (FAA). ). Jabatan Pertahanan (DoD), Jabatan Keselamatan Dalam Negeri (DHS) dan Pengarahan Laut dan Atmosfer Nasional (NOAA). Oleh sebab itu, ARRC sedang bekerja pada band S yang boleh skala secara digital yang terpolarizasi secara teratas untuk memenuhi keperluan pengimbasan cuaca dan pesawat jarak panjang. Array juga akan menyokong operasi penting lain, termasuk MIMO dan komunikasi konvensional.

Kawalan cahaya mudah dan pelaksanaan multi-fungsi menjadikan tatasusunan bertindak calon terbaik untuk sistem radar bertindak-tugas kerana ia menyediakan penyelesaian yang efisien dan efektif pada biaya. Kemajuan dalam teknologi GaAs, SiGe, CMOS dan PCB telah menyediakan peranti RF yang boleh dipercayai, terintegrasi tinggi yang menjadikan antena array bertindak menjadi inti teknologi pengawasan jauh dan komunikasi modern. Peranti yang sangat terintegrasi dan efisien membenarkan arkitektur antena array bertindak untuk mengandungi penerima berbilang. Compared with the previous generation phased array antennas that only use analog beamformers, these devices can reduce the cost and reduce the cost of phased arrays. Untuk saiz dan berat badan, dan untuk optimize fungsi sistem dan meningkatkan prestasi sistem, 5G tentu saja akan menggunakan teknologi tatasusunan bertindak. Array yang menggunakan bentuk cahaya analog secara alami terbatas kepada skema bentuk cahaya yang boleh dicapai melalui tetapan tepat elektronik bentuk cahaya bahagian depan.

Pada masa ini, penggunaan bentuk cahaya digital (DBF) pada aras tatasusunan adalah kaedah biasa untuk meningkatkan fleksibiliti radar tatasusunan bertindak. Pertunjukan Teknologi Lanjutan (ATD) 76 panel yang beroperasi oleh Laboratori Badai Sungguh Nasional NOAA (NSSL) dan Universiti Negara Massachusetts (UMass) Raytheon radar kuasa rendah (ie Skyler) boleh membuktikan ini. Namun, pergerakan ke arkitektur aras sel DBF akan membolehkan fungsi yang belum terdahulu. Contohnya, radar laut CEA-FAR Australia, FlexDAR radar 2 US Navy, Israel Elta â's MF-STAR, AFRL â's BEEMER (digitasi band dasar unit radar eksperimental MIMO), dan pagar ruang angkasa. Selain itu, digitisasi setiap unit antena membolehkan orang mengawal polarizasi dengan tepat, dan boleh mengawal polarizasi H murni atau polarizasi V, atau mengawal polarizasi H dan V pada 45 darjah, serta LHC, RHC atau salah satu daripada mereka. Keadaan polarisasi.

Teknologi array digital adalah arah penyelidikan yang muncul. Satu kontribusi penting dari Laboratori Penelitian Tentera Kemampuan Pertahanan Pertahanan (CCDC ARL) adalah pembangunan teknik kuat untuk kalibrasi tatasusunan. Operasi radar tatasusunan berturut-turut dalam persekitaran yang penuh bergantung pada kebanyakan tindakan untuk melindungi radar dan lanjutan kerja kalibrasi dalam persekitaran dinamik. Pengkalibrasi kilang tidak cukup untuk tata digital, jadi teknik kalibrasi di lokasi diperlukan, yang juga mempunyai keuntungan dalam efisiensi pengiraan. OU dan CCDC ARL sedang mengembangkan teknologi kalibrasi berdasarkan pasangan bersama untuk menyelesaikan masalah kalibrasi dinamik. CCDC ARL sedang melakukan percubaan bukti-konsep, menggunakan sistem ujian array digital aras unit untuk kuantifikasi prestasi algoritma awal. Melihat ke masa depan, CCDC ARL akan optimumkan teknologi ini untuk mencapai prestasi lebar bandwidth yang lebih luas, dan akan fokus pada skalabiliti tata-tata besar dan kemampuan mereka untuk persekitaran operasi yang lain selain platform ujian makmal.

Arkitektur digital lengkap

Walaupun ia telah membuktikan cabaran untuk mencapai polarizasi dua pada PAR, seminar pertukaran teknologi radar baru-baru ini disokong oleh National Science Foundation (NSF) telah membuat kemajuan yang signifikan5, seperti panel kawalan band-S MIT Lincoln Lab di ATD6, prototip band-S BCI/LMCO, sistem radar array C-band NCAR di udara, radar band-X UMass dan demonstrator radar tatasusunan tahap silindrik S-band OU (CPPAR) 7. Untuk meningkatkan resolusi masa operasi "spotlight", ARRC menghasilkan radar imej atmosferik band X (AIR) satu-polarizasi beberapa tahun yang lalu, seperti yang dipaparkan dalam Figur 1. AIR berfungsi dalam mod "banjir", melancarkan sinar penggemar menegak 20 darjah, dan menggunakan 36 tatasusunan menerima untuk bentuk sinar digital skala besar. Dengan kata lain, indikator ketinggian julat (RHI) yang diukur oleh radar boleh bentuk pada masa yang sama, sama seperti mengambil gambar dengan kamera elektromagnetik. Arkitektur ini bergabung dengan pengimbasan mekanik azimut 20 darjah/saat akan membolehkan AIR yang ada untuk mengumpulkan maklumat dalam julat 180*20 darjah dalam kira-kira 9 saat. Oleh itu, ini juga resolusi tertinggi dunia untuk pengamatan penyebab tornado. 8. Sistem lain yang sama dengan resolusi banjir adalah band X PAR Universiti Osaka.

Mod operasi pengawasan imej maju ini memerlukan saluran sub-array berbilang digitalisasi. Perbaikan aras digitisasi juga akan membuat penyesuaian cahaya digital (ADBF), proses penyesuaian ruang temporal (STAP) dan bahkan mod operasi MIMO mungkin. Arkitektur tatasusunan bertindak ideal akan mempunyai fungsi digital, dan penghantaran dan menerima isyarat setiap unit antena boleh dikawal, jadi ia juga mempunyai lapisan lebar bandwidth. Oleh kerana pemprosesan aras unit dan pembentukan cahaya berikutnya adalah kedua-dua digital, mereka boleh dibangun semula dan optimasi untuk skenario aplikasi yang berbeza. Digitalisasi aras-unit membuka pintu untuk pemprosesan cahaya baru dan penyelesaian bentuk cahaya, dan menyediakan fleksibiliti maksimum melalui julat dinamik yang boleh disesuaikan tanpa terdahulu dalam sistem besar. Contohnya, diberikan unsur antena M dan bunyi antara unsur tidak berkaitan, nisbah isyarat-bunyi sistem diperbaiki dengan 10 log(M). Namun, ia disertai oleh risiko teknikal dan cabaran praktik yang ada, seperti jumlah data yang perlu diproses dan penggunaan penerima yang tidak rumit.

Gambar 3 menunjukkan tiga contoh semua sistem PAR digital. Imej paling kiri dalam Gambar 3 menggambarkan beberapa sinar sensitiviti tinggi tipis dan beberapa sinar keutamaan rendah, yang diperlukan untuk mengumpulkan maklumat penting dalam kawasan. Gambar di tengah Gambar 3 menunjukkan contoh pendaraban ruang-temporal, melalui mana set berbilang sampel independen boleh dikumpulkan dari kawasan pengawasan; dengan cara ini, lebih sedikit sampel boleh digunakan untuk mengumpulkan data. Kerana penapisan ruang sesuai boleh dicapai dengan tatasusunan bertindak4, ini sangat membuktikan kebenaran menggunakan tatasusunan bertindak pada antena piala parabolik biasa. Akhirnya, imej paling kanan Figure 3 menggambarkan bagaimana demonstrator bergerak akan menggunakan keahlian imej pasukan untuk mencapai imbasan seri cepat8.

Untuk mana-mana radar berbilang-tugas di masa depan, penyelesaian bersamaan fungsi berbilang adalah satu-satunya cara untuk memenuhi keperluan misi pada paksi masa tertentu. Oleh itu, ia penting untuk menyadari fleksibiliti cahaya maju melalui digitalisasi. Selain itu, kaedah ini boleh melaksanakan tugas lain dalam seluruh siklus hidup PAR digital melalui penataran perisian daripada pengubahan perisian yang mahal, dengan itu menyimpan banyak biaya operasi dan penyelamatan. Bahagian berikutnya akan memberikan paparan ringkasan pembangunan dua-polarizasi band S PAR yang sedang dirancang dan dihasilkan di ARRC. Band S dual-polarization PAR akan mencapai tujuan ini. Sistem ini dipanggil Horus. Ia mempunyai penerima digital untuk setiap polarizasi dan setiap elemen antena. Ia akan menjadi alat kajian yang berharga untuk menilai keuntungan dan cabaran kaedah ini.

Konsep desain radar Horus

ARRC sedang mengembangkan sistem tatasusunan berpolarizasi dua band S bergerak. Sistem ini mempunyai arkitektur-digital, terdiri dari 1024 unit antena berpolarisasi dua, dibahagi menjadi 25 panel 8*8 (16 daripada yang dilengkapi dengan peranti elektronik), seperti yang dipaparkan dalam Figur 4. Setiap panel dilengkapi dengan lapan "OctoBlade", hampir semua elektronik radar ditempatkan di dalamnya. Setiap OctoBlade dirancang dengan berhati-hati untuk menggairahkan lajur 8 unsur dari tatangka antena prestasi tinggi dalam panel dan mencapai keadaan polarizasi hampir ideal pada pesawat utama. Pesawat utama terdiri dari plat pendinginan logam (tub pemindahan panas) dengan PCB di setiap sisi untuk mengakomodasi total 16 ujung depan berasaskan GaN (setiap unit, setiap polarizasi> 10W), delapan daripada mereka adalah peranti analog dua penerima digital Saluran, empat FPGA ujung depan untuk pemprosesan dan dua FPGA untuk kawalan. Pemasangan subsistem antena dan komponen elektronik yang berkaitan dengannya boleh diklasifikasikan ke salah satu dari tiga arkitektur utama berikut: pemasangan patch konformis, pemasangan panel (dengan OctoBlade slide-out) atau struktur independen dipisahkan dengan kabel (Figure 4). Raka dengan OctoBlade slide-out memerlukan biaya penyelamatan paling rendah kerana komponen elektronik ini mudah dapat ditukar panas. Fungsi yang sesuai ini adalah sempurna untuk sistem asas yang memerlukan dekade hidup perkhidmatan.

Secara umum, prestasi tatasusunan besar bergantung pada struktur sambungan digital di belakang tatasusunan. Topologi hierarkik tradisional sedang digunakan, tetapi sebahagian ciri-ciri mereka, seperti skalabiliti, fleksibiliti, dan lebar band, adalah terhad. Contohnya, beberapa tata menggunakan topologi mata. Apabila menggunakan topologi mata, beban saluran tengah berat. Ini biasanya menyebabkan kongesti di kawasan pusat rangkaian. Solusi untuk situasi ini adalah untuk menambah penghala ke rangkaian mata atau menggunakan topologi cincin. Topologi cincin ini mempunyai simetri pada router di sisi yang bertentangan, yang boleh mengurangi kongesti tidak perlu dengan meningkat sumber sedikit. . Tapi masih ada banyak masalah yang belum diselesaikan. Kami percaya bahawa tiga isu utama ialah: mekanisme penghantaran data (iaitu RapidIO, Gigabit Ethernet, dll.), darjah bentuk cahaya sebahagian, dan topologi laluan data (iaitu struktur hierarkik, dll.). Sebuah keseimbangan yang baik isu-isu ini akan membolehkan saiz tatasusunan mudah dikembangkan untuk memenuhi berbagai tugas.

Radar biasa Horus dimasukkan ke belakang panel melalui rangkaian RapidIO untuk menyelesaikan penyerahan digital. Ini akan membolehkan produk lebar-jangkauan cahaya sistem PAR berfungsi secara konsep (seperti cahaya 200MHz dalam julat dinamik yang sesuai). Pembentuk cahaya hierarkis mengurangkan bilangan strim data pada setiap aras struktur hierarkis, dan melakukan penimbangan dan agregasi sebahagian dalam proses. Penbentuk cahaya denyut juga sama, tetapi selain dari menghitung data pada tahap tertentu, ia menghantar data sepanjang siri nod atau unit. Sebahagian dari data cahaya diterangkan dalam proses ini untuk digunakan dalam tahap pemprosesan berikutnya. Output. Hampir setiap tatasusunan digital ukuran tengah yang diketahui oleh penulis menggunakan beberapa bentuk pemprosesan lapisan/denyut untuk melaksanakan ujung depan digital. Yang penting, tidak seperti tata analog, penggunaan bentuk cahaya lapisan/denyut boleh seimbang bilangan cahaya sinar dengan lebar bandwidth isyarat dalam domain digital, sehingga produk lebar-bandwidth cahaya ditetapkan kekal kira-kira konstan pada setiap titik rantai pemprosesan bahagian depan.

Untuk struktur berbilang-aras, biaya sambungan adalah proporsional dengan logaritma bilangan unit M, dan pemprosesan data dan bahagian depan adalah secara linear proporsional dengan M. Kedua-dua adalah proporsional dengan lebar band seluruh sistem. Jenis pertimbangan ini mempunyai makna panduan untuk desain mana-mana arsitektur DBF bahagian depan dalam pertukaran kalibrasi, bentuk cahaya, dan penyesuaian. Pada akhirnya, RapidIO boleh menyokong mana-mana arkitektur rangkaian, seperti cincin melipat boleh mengurangkan keterlaluan dan meningkatkan kepercayaan, yang akan dieksplorasi di masa depan.

Figure 5 menunjukkan hasil pengukuran makmal demonstrator bergerak9. Antena array dua-polarizasi aktif digital ini direka untuk mengendalikan penghantaran dan menerima isyarat setiap unit antena. Berbanding dengan antena parabolik WSR-88D, desain antena projek ARRC fokus pada mencapai fungsi yang sama atau meningkatkan prestasi. Oleh kerana misi meteorologi mempunyai keperluan yang lebih tinggi untuk polarizasi daripada misi pengawasan pesawat dalam terma pengenalan sasaran, spesifikasi rancangan ini adalah penting. Radar polarizasi dua memerlukan aras polarizasi silang rendah (kurang dari -40dB) dan corak yang sepadan dengan baik (kurang dari 0.1dB) untuk menentukan pembolehubah polarizasi atmosfer yang dipindai.

Secara umum, sebagaimana aras polarizasi salib antena meningkat, semua deviasi dalam pembolehubah polarizasi meningkat. Semasa rancangan PCB bagi tatasusunan 8*8, banyak unsur dalam unit antena telah dipelajari. Elemen ini termasuk: penindasan perbezaan pinggir; lebar jalur dengan frekuensi tengah 2.8GHz lebih dari 10%; pengasingan antara pelabuhan adalah kira-kira -50dB; Sudut azimuth ±60º Dalam julat imbas, aras polarizasi salib lebih rendah dari -45dB dan ketidakpadanan polarizasi lebih rendah dari 0.1dB dalam julat imbas sudut pitch ±10º. Selepas kalibrasi berhati-hati, koeficien refleksi aktif sekurang-kurangnya -10dB boleh dicapai untuk julat imbas sudut azimuth ±60º dan julat imbas sudut ketinggian ±10º. Oleh sebab itu, ini merancang jenis baru dari tumpukan patch microstrip radiator dengan sambungan elektromagnetik untuk Horus. Gambar paling kiri dalam Gambar 5 adalah panel 8*8 radiator ini. Radiator dan rangkaian sumber dibahagi ke dua bahagian yang berbeza untuk mencegah mereka membengkuk selepas penghasilan. Radiator terdiri dari dua lapisan konduktif dan radom terikat oleh RT/Duroid 5880LZ dan RO4450F.